Ressonância Magnética Nuclear

7/17/2019 Ressonância Magnética Nuclear

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Ressonância Magnética

Aluno : Bruno Raphael Pereira Morais



Histórico

• 1873 – Maxwell , com sua teoria para campos elétricos emagnéticos. Lorentz com a Teoria do Elétron.

• 1887 – Hertz – Radiofrequência• 1924 – Pauli – Magnetismo Nuclear

• 1946 – Felix Bloch(Stanford) e Edward Purcell (Harvard)

descreveram em trabalhos independentes a ressonânciamagnética em sólidos.

• 1971 – Raymond Damadian demonstra que as constantes derelaxação da água são bastante diferentes em tumores malignosde ratos quando comparados a tecidos normais. Produziu umaimagem por RMN do tumor de um rato.

• 1973 – Paul Lautebur publica a primeira imagem RMN de um

objeto heterogêneo.



Histórico

• 1977 – Raymond Damadian publica a primeira imagemhumana obtida por RMN.

• 1980 – Primeira imagem de qualidade do cérebroproduzida por um grupo na universidade de Nottingham.

• 1981 – Publicados primeiros estudos usando IRMN empacientes.



Spin Nuclear

- Propriedade fundamental de todas as partículaselementares: prótons, nêutrons e elétrons.

- Trata-se do momento angular pertencente àpartícula em questão.



Spin Nuclear

- Partículas com spins em sentidos opostoscancelam-se em valor. O Spin total de uma rede

de núcleos depende do número de partículas quenão se cancelaram.

- O valor é sempre em múltiplos de 1/2.



Spin Nuclear

Se aplicamos um

campo magnéticoexterno B0, os spinsse alinharão ou

paralelamente, ou emsentido contrário aeste campo.



Spin Nuclear

No entanto, o

alinhamento não seráexato: a partícularodará em torno de

um eixo na direçãodeste campoaplicado, graças ao

movimento deprecessão dosprótons.



Spin Nuclear

Este efeito chama-se

“Efeito Zeeman”, e foidescoberto pelo físicoHolandês Peter

Zeeman em 1897 eexplicado por Lorentzem sua “Teoria do

Elétron” no mesmoano.



Spin Nuclear

• A precessão acontece em uma certa

frequência chamada frequência de Larmor.• Depende de uma frequência giromagnética da

partícula em questão e do módulo da

intensidade do campo magnético externoaplicado.

• Para um átomo de hidrogênio, este valor éaproximadamente 42,85 x |B|



Hidrogênio

• Razões para escolhermos o hidrogênio:

• - Possui um valor alto para a constantegiromagnética, ou seja, maior sensibilidade àação de campos magnéticos.



Rede de Magnetização

É a soma dos vetores de magnetização de

todos os spins. Contém 2 componentes:

Magnetização Longitudinal : Paralela ao eixo.Causada pelos prótons restantes em baixonível de energia.

Magnetização Transversal: Perpendicular aoeixo.




Ao aplicarmos uma

radiofrequência (RF) demesma frequênciaangular que o sistema

sobre a rede demagnetização, o vetor édeslocado para longe do

campo magnético B porressonância.




O ângulo em que essa

RF é aplicada em relaçãoà rede de magnetizaçãoaltera a direção final da

rede, gerando umainclinação.

Este ângulo é chamado

de ângulo de giro (flipangle)



Rede de magnetização

• A diferença de energiaentre a orientação natural

do spin e a forçada éemitida na forma de ondaseletromagnéticas nafrequência de Larmor.

• Graças ao alinhamentomagnético das ondas, estepulso eletromagnético geraum sinal RF quechamamos de FID.




Ao término do pulso de RF, os prótons irão re-radiar aenergia absorvida e o vetor da rede de magnetização

retornará ao seu estado de equilíbrio.

Chamamos de relaxamento T1 o tempo que leva paraa componente de magnetização longitudinal Mzretornar ao seu estado de equilíbrio.

Analogamente, relaxamento T2 é o tempo para acomponente Mxy, de magnetização transversa.



Tempos de Relaxamento

Esses tempos de relaxamento dependem de

vários fatores, como a intensidade da RF e docampo magnético usados, da uniformidadedesses campos magnéticos, do tipo de tecido

orgânico, da interação entre prótons, entreoutros.

Imperfeições no campo magnético externo

influenciam nos spins de cada próton, criandoum desvio transverso para fora da direçãoesperada, alterando T2 para T2*.




Esse tipo de relaxamentodeve ser corrigido

aplicando-se outro pulsoRF para realinhar osprótons, invertendo osentido dos spins. Otempo até que os prótonsse realinhem é chamadode echo time .



Tempos de relaxamento

Interações entre spins ocorrem maisrapidamente, por isso T2 é sempre menor.

Moléculas maiores movem-se mais lentamente,causando a T1 aumentar graças à dificuldade

que a molécula tem em dissipar energia.




T1 e T2 dependem de todos os compostos quecontém prótons de hidrogênio no volumemedido.



Gradientes

Variamos o campo magnético aplicado deforma que o valor diminua da cabeça aos pés,formando um gradiente.

A frequência de Larmor terá que variar tambémpara que possamos detectar a composiçãointerna através da ressonância.

Será feito um mapeamento de intensidades,posições e frequências angulares.



Gradientes



Gradientes

No eixo z (vertical) será feita a seleção de fatia.(slice selection).

Os eixos x e y são responsáveis pelascodificações de frequência e de fase.

As posições (x,y) de cada ponto sãoencontradas através das frequências e fases despin de cada ponto lido. Dois camposmagnéticos gerenciam como esses pontosestarão distribuídos.



Gradientes

Este processo é feito em duas etapas e échamado de codificação espacial .



K-Espaços

Formalismo introduzido em 1983 por Ljunggrene Twieg.

Visa relacionar as informações de fase efrequência obtidas com pontos no espaço.

Para isso, aplicamos transformadas de Fouriersobre os valores obtidos.



K-Espaços

O scanner obtém uma matriz 2D ou 3D, deacordo com o resultado desejado.

Os dados serão transformados para umdomínio espacial aplicando uma transformada

de Fourier nesta matriz.



Cálculo da Transformada

• Em t=0, os spins estarão alinhados na direção do campo demagnetização Mz.(Equilíbrio termal)

•

Durante o pulso, o vetor de magnetização será deslocado na direção doplano x-y por um campo oscilante H = H0 + cos(wt) , que gera um sinalFID após o término do pulso, quando os prótons entram em precessão.

• A magnetização no plano x-y é medida e então aplica-se a transformada:

• Mxy= M0.exp(-t/T2*) e M0 – Mz = exp(-t/T1)

• Para achar T2 aplicamos




• Versão simplificada (1D):• Precisamos achar a densidade dos prótons em uma linha.

• A frequência de tempo do sinal FID é diretamente proporcional à força do campomagnético. Frequência normal e angular são relacionadas por w = 2πf

• Especificamente:

• Se a densidade em cada ponto é especificada por p(x), teremos a integral de linhaque representa o sinal medido f(t):




• Resolvemos aplicando o teorema das fatias.

•

Arquivos de imagens de MR são típicamentede resolução 256x256, representandoespessura de 1mm.

• No caso de imagens 3D, a grossura podevariar de 1 a 10 mm.



Geração de Sinais

Chamaremos o tempo entre cada conjunto depulsos de tempo de repetição (TR).

Os sinais são enviados na seguinte ordem:

- O gradiente de seleção de fatia (slice)

- O pulso RF de excitação

- O gradiente de codificação de fase

- Geração de eco

- O gradiente de codificação de frequência



Geração de Sinais

Existem 3 formas de geração de sinais:

Eco de spin Recuperação invertida

Eco de gradiente



Contraste da Imagem

Utilizamos três informações para calcular ocontraste da imagem: a densidade dos prótonsp, T1 e T2.

Ajustando o tempo de repetição entre cada

sequência de pulsos, teremos três tipos decontraste de imagens.



Contraste de Imagens

Por densidade deprótons (PD): LongoTR e curto TE.

As imagens são

baseadas na variaçãode concentração dehidrogênio se

movendo.



Contraste de Imagens

Imagens pesadas porT1: Curto TR e curtoTE.

O contraste e o brilho

são determinados porT1, mas a densidadesempre influi na

intensidade. Mostram gordura

mais claro e águamais escuro.



Constraste de Imagens

Imagens pesadas porT2: Longo TR e longoTE.

Gordura aparece

mais escura e águaaparece mais clara.

Massa branca contémgordura, aparecendomais escura quemassa cinzenta.



SNR (Signal-to-Noise Ratio)

Vários tipos de ruído acontecem: influênciatérmica, artefatos devido a movimentos feitospelo paciente, etc.

Desejamos ter uma taxa de sinal/ruído o mais

alta quanto possível. Um campo magnético mais forte nos trará mais

precisão, no entanto é arriscado para opaciente. Deve-se obter uma relaçãobalançeada entre contraste e saturação.



SNR (Signal-to-Noise Ratio)

Podemos reduzir artefatos de movimentousando filtros de deblurring .

Fatias mais finas originam mais ruído.

Para remoção de ruídos, são usadosprincipalmente métodos baseados emestatística e métodos de thresholding .



Outros exemplos

Imagem pesada pordifusão(DWI):

Medida é baseada nomovimento

Browniano da água. Imagens mais claras

onde há mais difusãode moléculas deágua.

Detecta isquemiacerebral.



MRI funcional (fMRI)

• Desenvolvida numa tentativa de fazer ummapeamento completo do cérebro.

• No início dos anos 90 foi descoberto que aoxigenação no sangue age como um fator de

contraste para MRI.• Pede-se ao paciente que realize determinada

tarefa relacionada ao que se deseja medir.• Exemplo: Para coordenação motora, pede-se ao paciente que mexa um

braço ou perna.



MRI Funcional (fMRI)

• Duas técnicas para obtenção de imagen s fMRI:

• FLASH( fast low angle shot), onde usamos um TR baixo.

• EPI(echoplanar imaging): pulsos RF de baixa amplitude comgradiente alto para o campo magnético.

• EPI gera distorções mas é o mais utilizado graças à sua

velocidade.

BOLD MRI



BOLD MRI

• Blood Oxygenation level-dependent MRI: Aproveita-sedas propriedades magnéticasdo sangue oxigenado(diamagnético) edesoxigenado(paramagnético)

• Quando os neurônio sãoativados, há uma mudançano fluxo do sangue, quecausa uma alteração no T2*medido, graças à mudançano nível de deoxi-hemoglobina.

A li õ d fMRI



Aplicações de fMRI

• Monitorando recepção de áudio no cérebro• Verifica-se a resposta do cérebro do paciente ao emitir voz

ou sons de várias frequências e amplitudes

• Percebe-se a mudança de suprimento de oxigênio para áreasdiferentes do cérebro durante o processo.

• É necessário um algoritmo rápido, que obtenha pelo menos 5imagens por segundo.

A li õ d fMRI



Aplicações de fMRI

• Monitoramento da atividade dosmotoneurônios

• Monitoramento da atividade do córtex visual• É examinada a mudança de atividade nos voxels do lado

posterior do cérebro. O estímulo dado ao paciente varia deacordo com o que se deseja avaliar.

Bibli fi



Bibliografia

Medical Imaging Informatics - Alex AT Bui,Ricky K. Taira , Ed. Springer

Biomedical Signal and Image Processing –Najarian, Taylor , Ed. Springer

Wikipediahttp://en.wikipedia.org/wiki/K-space_%28MRI%29

Curiosidades daFísicahttp://www.searadaciencia.ufc.br/folclore/folclore150.htm

Bibli fi



Bibliografia

Tecnologia Radiológicahttp://www.tecnologiaradiologica.com/

Magnetic Resonance TechnologyIPhttp://www.mr-tip.com/serv1.php

Trabalho sobre Ressonância - UFRGShttp://www.ufrgs.br/biofis/ressonancia.pdf

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